【摘要】：組網(wǎng)和動(dòng)平臺(tái)攝像測(cè)量在軍事和民用領(lǐng)域上都具有極高的應(yīng)用價(jià)值。典型地,組網(wǎng)攝像測(cè)量應(yīng)用中通過(guò)多個(gè)像機(jī)構(gòu)建像機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)測(cè)量高鐵路基和橋梁等大型結(jié)構(gòu)的形變參數(shù),為大型結(jié)構(gòu)的質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。動(dòng)平臺(tái)攝像測(cè)量應(yīng)用中利用無(wú)人機(jī)等飛行平臺(tái)搭載的像機(jī)和慣性測(cè)量單元等設(shè)備對(duì)地面目標(biāo)的三維位置進(jìn)行測(cè)量,是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)精確打擊的重要環(huán)節(jié)。像機(jī)標(biāo)定是攝像測(cè)量應(yīng)用中的基礎(chǔ)技術(shù)問(wèn)題。由于標(biāo)定場(chǎng)景的限制,像機(jī)標(biāo)定技術(shù)依然面臨著諸多挑戰(zhàn),相關(guān)技術(shù)也一直是攝像測(cè)量學(xué)重要的研究?jī)?nèi)容。本文圍繞組網(wǎng)和動(dòng)平臺(tái)攝像測(cè)量應(yīng)用中的像機(jī)標(biāo)定問(wèn)題展開(kāi)研究工作,包括魚(yú)眼鏡頭雙目像機(jī)自標(biāo)定、大視場(chǎng)像機(jī)和無(wú)重疊視場(chǎng)固聯(lián)多像機(jī)的標(biāo)定、像機(jī)與慣性測(cè)量單元旋轉(zhuǎn)關(guān)系標(biāo)定及慣性測(cè)量單元輔助的像機(jī)相對(duì)位姿估計(jì)。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新內(nèi)容概括如下:(1)針對(duì)徑向畸變嚴(yán)重的魚(yú)眼鏡頭雙目像機(jī),根據(jù)自然環(huán)境為平面場(chǎng)景或三維場(chǎng)景,分別提出了基于單應(yīng)約束和極線約束的魚(yú)眼鏡頭雙目像機(jī)自標(biāo)定方法。傳統(tǒng)的自標(biāo)定方法直接采用包含徑向畸變的圖像匹配點(diǎn)對(duì)來(lái)估計(jì)雙目像機(jī)之間的幾何關(guān)系,僅在非線性優(yōu)化中考慮徑向畸變的影響,非線性優(yōu)化很可能陷入局部最優(yōu)。而本文方法在確定雙目像機(jī)之間幾何關(guān)系的同時(shí),對(duì)雙目像機(jī)各自的徑向畸變參數(shù)進(jìn)行建模,通過(guò)圖像匹配點(diǎn)對(duì)同時(shí)求解兩個(gè)像機(jī)的徑向畸變參數(shù)和兩個(gè)像機(jī)之間的幾何關(guān)系,并結(jié)合RANSAC剔除圖像匹配點(diǎn)集中的野值,確定圖像匹配內(nèi)點(diǎn)集;然后再利用圖像匹配內(nèi)點(diǎn)集優(yōu)化雙目像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)。本文方法能夠高精度地標(biāo)定徑向畸變嚴(yán)重的魚(yú)眼鏡頭雙目像機(jī)。(2)針對(duì)對(duì)空拍攝大視場(chǎng)像機(jī)和無(wú)重疊視場(chǎng)固聯(lián)多像機(jī)的標(biāo)定問(wèn)題,由于不同像機(jī)視場(chǎng)內(nèi)沒(méi)有公共自然特征,無(wú)法采用自標(biāo)定技術(shù),因此需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)出方便適用的標(biāo)定方法。首先提出了針對(duì)晃動(dòng)平臺(tái)上對(duì)空拍攝大視場(chǎng)像機(jī)的標(biāo)定方法,該方法利用無(wú)人機(jī)作為動(dòng)態(tài)控制點(diǎn)來(lái)標(biāo)定像機(jī)內(nèi)外參數(shù),實(shí)驗(yàn)中無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡可以根據(jù)待標(biāo)定像機(jī)視場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整,較易滿足控制點(diǎn)在空間和圖像上都合理分布的要求。然后提出了利用像機(jī)之間的固聯(lián)約束標(biāo)定無(wú)重疊視場(chǎng)固聯(lián)多像機(jī)的方法,該方法通過(guò)平面靶板同時(shí)標(biāo)定像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和像機(jī)之間的相對(duì)位姿關(guān)系。最后提出了利用線激光器投影生成的激光平面來(lái)標(biāo)定無(wú)重疊視場(chǎng)固聯(lián)多遠(yuǎn)心像機(jī)的方法,該方法利用穿過(guò)不同像機(jī)視場(chǎng)的激光平面來(lái)連接無(wú)重疊視場(chǎng)固聯(lián)多遠(yuǎn)心像機(jī),根據(jù)激光平面的共面性約束求解遠(yuǎn)心像機(jī)之間的旋轉(zhuǎn)關(guān)系。(3)針對(duì)像機(jī)與慣性測(cè)量單元的標(biāo)定問(wèn)題,提出了基于單應(yīng)約束的像機(jī)與慣性測(cè)量單元旋轉(zhuǎn)關(guān)系標(biāo)定方法。首先針對(duì)像機(jī)旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)條件下、像機(jī)純旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)條件下以及像機(jī)純旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和焦距未知條件下像機(jī)與慣性測(cè)量單元旋轉(zhuǎn)關(guān)系的標(biāo)定,分別提出了相應(yīng)的最小配置解;然后結(jié)合RANSAC剔除圖像匹配點(diǎn)集中的野值,確定圖像匹配內(nèi)點(diǎn)集;最后再利用圖像匹配內(nèi)點(diǎn)集對(duì)標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行非線性優(yōu)化,得到最終的標(biāo)定結(jié)果。本方法不依賴標(biāo)定物和其他特殊的設(shè)備,直接利用圖像特征來(lái)標(biāo)定像機(jī)坐標(biāo)系和慣性測(cè)量單元坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)關(guān)系,而且最小化圖像對(duì)中所有圖像匹配內(nèi)點(diǎn)集的單應(yīng)轉(zhuǎn)換誤差,具有明顯的幾何意義。(4)針對(duì)慣性測(cè)量單元輔助的像機(jī)相對(duì)位姿估計(jì)問(wèn)題,根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和是否使用慣性測(cè)量單元提供的像機(jī)偏航角,推導(dǎo)了三種慣性測(cè)量單元輔助的像機(jī)相對(duì)位姿估計(jì)方法。首先針對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景,在已知像機(jī)的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角條件下,提出了通過(guò)2個(gè)圖像匹配點(diǎn)對(duì)估計(jì)像機(jī)相對(duì)平移的方法;然后針對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景,僅已知像機(jī)的滾轉(zhuǎn)角和俯仰角(即已知像機(jī)的垂直方向)條件下,提出了利用地面提供的單應(yīng)約束,通過(guò)地面上2個(gè)圖像匹配點(diǎn)對(duì)估計(jì)像機(jī)相對(duì)位姿的方法;最后針對(duì)自動(dòng)駕駛應(yīng)用場(chǎng)景,同樣已知像機(jī)的垂直方向,提出了多種解耦分步估計(jì)像機(jī)相對(duì)旋轉(zhuǎn)和相對(duì)平移的方法。通過(guò)慣性測(cè)量單元為像機(jī)坐標(biāo)系提供姿態(tài)角信息,減少了像機(jī)相對(duì)位姿估計(jì)問(wèn)題的自由度,有效提高了像機(jī)相對(duì)位姿估計(jì)的精度和魯棒性。
【圖文】：

面靶板和線激光器的標(biāo)定方法。四章為像機(jī)與慣性測(cè)量單元旋轉(zhuǎn)關(guān)系的標(biāo)定研究。通過(guò)像機(jī)對(duì)地面用單應(yīng)約束方便地標(biāo)定出像機(jī)坐標(biāo)系和慣性測(cè)量單元坐標(biāo)系之間的據(jù)像機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況和像機(jī)內(nèi)參數(shù)是否已知，分別提出了三種標(biāo)定像單元旋轉(zhuǎn)關(guān)系的方法：像機(jī)旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)條件下的標(biāo)定方法、像條件下的標(biāo)定方法和像機(jī)純旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和焦距未知條件下的標(biāo)定方法五章為慣性測(cè)量單元輔助的像機(jī)相對(duì)位姿估計(jì)研究。在第四章標(biāo)定慣性測(cè)量單元坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)關(guān)系后，慣性測(cè)量單元能夠?yàn)橄駲C(jī)態(tài)角信息，用于像機(jī)坐標(biāo)系的校正�？紤]到慣性測(cè)量單元提供的偏俯仰角和滾轉(zhuǎn)角要低，因此根據(jù)像機(jī)坐標(biāo)系是否采用慣性測(cè)量單元和不同的應(yīng)用場(chǎng)景，推導(dǎo)了三種慣性測(cè)量單元輔助的像機(jī)相對(duì)位姿知三個(gè)姿態(tài)角條件下的像機(jī)相對(duì)平移估計(jì)方法和兩種僅已知俯仰角已知像機(jī)的垂直方向)條件下的像機(jī)相對(duì)位姿估計(jì)方法。六章為總結(jié)與展望，主要是對(duì)本文主要研究工作進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)下向進(jìn)行展望。

國(guó)防科技大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文第二章 魚(yú)眼鏡頭雙目像機(jī)自標(biāo)定2.1 引言組網(wǎng)攝像測(cè)量應(yīng)用中常用的結(jié)構(gòu)形式，其標(biāo)定的雙目像機(jī)的標(biāo)定通常指確定像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和外參焦距，，主點(diǎn)和畸變參數(shù)；外參數(shù)包括兩個(gè)像機(jī)坐。魚(yú)眼鏡頭像機(jī)具有較大的視場(chǎng)，同時(shí)其成像存切向畸變等。如圖 2.1 所示，利用魚(yú)眼鏡頭像機(jī)拍在圖像中存在明顯的彎曲，而且越靠近圖像的邊鏡頭像機(jī)的主要畸變類(lèi)型為徑向畸變，本章著重
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：P231

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本文編號(hào)：2692166